專(zhuān)利名稱(chēng)：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控(shm)傳感器組件和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及監(jiān)控諸如飛行器或其他運(yùn)輸工具的物體的結(jié)構(gòu)健康狀況，更具體地說(shuō) 涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控(SHM)傳感器組件和可以利用SHM傳感器組件的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
新的輕質(zhì)復(fù)合材料、傳統(tǒng)的金屬材料以及其他材料在商業(yè)飛行器的航空航天工業(yè) 和其他航空航天運(yùn)輸工具，以及民用基本設(shè)施、地面運(yùn)輸和其他行業(yè)更加廣泛地使用并進(jìn) 行設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于碰撞或其他原因，新型材料和新型結(jié)構(gòu)可能遭受極度的應(yīng)力和潛在損壞。 例如，在商業(yè)飛行器的機(jī)身貨艙門(mén)周?chē)浇?，行李裝卸裝置(baggage handler)經(jīng)常疏忽地 與飛機(jī)機(jī)身碰撞并對(duì)飛機(jī)機(jī)身產(chǎn)生碰撞損壞。任何這種損壞需要快速有效地識(shí)別、找出位 置并確定尺寸以及提供判斷，以便能夠進(jìn)行任何需要的修復(fù)并減少飛機(jī)的維修費(fèi)用，并消 除飛機(jī)航班的取消和延遲。為了進(jìn)行可以迅速完成以確保最少的維修時(shí)間的快速非破壞性 評(píng)估，需要許多傳感器。為了給具有苛刻運(yùn)行環(huán)境和成本競(jìng)爭(zhēng)的飛機(jī)或其他結(jié)構(gòu)添加這種 新的檢查系統(tǒng)，傳感器必須是低成本、在可苛刻的環(huán)境中能夠繼續(xù)存在的，并且能夠隨著時(shí) 間流逝很好運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，傳感器組件可以包括第一介電材料層，和鄰近該第一介電 層的一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)(trace)。每個(gè)導(dǎo)電引線(xiàn)可以包括第一接觸墊(pad)和第二接觸墊。 第一介電材料層可以包括一對(duì)形成在其中的通孔或開(kāi)口，以露出每個(gè)第一接觸墊。第二介 電材料層可以用設(shè)置在第一和第二介電材料層之間的這對(duì)導(dǎo)電引線(xiàn)附著于第一介電材料 層。傳感器、感應(yīng)裝置等可以附著于第二介電材料層，并且每個(gè)第二接觸墊可以電連接于該 傳感器。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第三介電材料層可以接合于傳感器的底部，覆蓋傳感 器的整個(gè)底表面(傳感器片(disk)的底部和第二介電材料層的一部分)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種用于形成傳感器組件的方法可以包括提供第 一介電材料層，并且鄰近該第一介電層放置一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)。每個(gè)導(dǎo)電的引線(xiàn)可以包括第 一接觸墊和第二接觸墊。該方法還可以包括在第一介電材料層中形成一對(duì)通孔或開(kāi)口，以 露出每個(gè)第一接觸墊。該方法還可以包括用設(shè)置在第一和第二介電材料層之間的這對(duì)導(dǎo)電 引線(xiàn)將第二介電材料層附著于第一介電材料層。該方法還可以包括將傳感器附著于第二介 電材料層，其中每個(gè)第二接觸墊電連接于該傳感器。 對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，通過(guò)查閱結(jié)合附圖的本發(fā)明下面的非限制性的 詳細(xì)描述，正如只由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的其他特征和方面將變成顯而易見(jiàn)。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的傳感器組件的一個(gè)示例的 分解圖。
圖IB是圖1A的傳感器組件的俯視圖 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成傳感器組件的接合(lay-up)結(jié)構(gòu)的示例說(shuō)明圖。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例沿著3-3線(xiàn)截取的圖IB的傳感器組件的剖視圖，該傳感器組件包括在用于諸如運(yùn)輸工具等的物體的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的示例性系統(tǒng)中。
具體實(shí)施例方式
下面的實(shí)施例的詳細(xì)描述參考了附圖，附圖示出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具有不同
結(jié)構(gòu)和操作的其他實(shí)施例不脫離本發(fā)明的范圍。 圖1A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的傳感器組件100的一個(gè)示例的分解圖。該傳感器組件100可以包括第一介電材料層102。該第一介電材料層102可以是聚酰亞胺薄膜，或類(lèi)似的柔性的不導(dǎo)電的材料。該第一層可以具有大約7. 5密耳(mil)或更小的厚度。聚酰亞胺薄膜或第一層102可以是Dupont Pyralux LF9150或類(lèi)似的材料。Pyralux是在美國(guó)、其他國(guó)家或美國(guó)和其他國(guó)家的E. I. Du PontDe Nemours and Company的商標(biāo)。 —對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)104可以設(shè)置成鄰近于、接合于或通過(guò)其他裝置附著于第一介電材料層102或酰亞胺薄膜，正如Dupont PyraluxLF9150和各種聚酰業(yè)胺_銅層壓材料的情況一樣。層102的材料也可以是具有接合的銅引線(xiàn)104的不導(dǎo)電的復(fù)合材料，例如注入樹(shù)脂的玻璃纖維織物。每個(gè)導(dǎo)電的引線(xiàn)104可以是下述材料之一 銅或類(lèi)似的導(dǎo)電材料、導(dǎo)電的絲網(wǎng)印刷墨水以及導(dǎo)電的線(xiàn)束、導(dǎo)電涂覆的半導(dǎo)電的或?qū)щ娡扛驳牟粚?dǎo)電的纖維。每個(gè)導(dǎo)電的引線(xiàn)104可以包括第一接觸墊106和第二接觸墊108。第一介電層102可以包括形成在其中的一對(duì)通孔110或開(kāi)口，以露出每個(gè)第一接觸墊106，以便提供將該引線(xiàn)104連接于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元(圖1中未示出)或類(lèi)似的裝置的接線(xiàn)界面。該通孔iio可以用激光燒蝕方法或能夠精確地形成這種開(kāi)口 110的其他方法來(lái)形成。 第二介電材料層112可以用設(shè)置在第一和第二介電材料層102和112之間的這對(duì)導(dǎo)電引線(xiàn)104而附著于第一介電材料層102。機(jī)電傳感器114可以在相對(duì)于第一介電材料層102的第二介電材料層112的相對(duì)側(cè)上附著于第二介電材料層112。每個(gè)第二接觸墊108可以通過(guò)第二介電材料層112電連接于機(jī)電傳感器114。 第二介電材料層112可以包括不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層，以封裝導(dǎo)電的引線(xiàn)104并將機(jī)電傳感器114附著于第一介電材料層102或聚酰亞胺薄膜。每個(gè)導(dǎo)電的引線(xiàn)104的兩個(gè)接觸墊108中的每一個(gè)可以用導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜116、粘結(jié)劑連接片(Patch)或漿糊形式的粘結(jié)劑通過(guò)第二不導(dǎo)電的介電材料層112中的孔117而電連接。 不導(dǎo)電粘結(jié)劑層112可以具有大約4密耳或更小的厚度。不導(dǎo)電粘結(jié)劑層112可以是Ablefilm CF563或類(lèi)似的不導(dǎo)電的粘結(jié)劑。導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜116或連接片也可以具有大約4密耳或更小的厚度。導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜116可以是環(huán)氧薄膜，諸如，AblefilmCR3350或類(lèi)似的導(dǎo)電薄膜。Ablefilm是美國(guó)特拉華州、其他國(guó)家，或美國(guó)特拉華州和其他國(guó)家的National Starch and Chemical Investment HoldingCorporation of New Castle的商標(biāo)。導(dǎo)電的粘結(jié)劑電接合件116通過(guò)連接于電墊118和120而附著于傳感器114。應(yīng)當(dāng)指出，片(disk)或傳感器114上的電墊118和120是由電絕緣的不導(dǎo)電層122分隔的。
5導(dǎo)電的粘結(jié)劑接合件116也連接于墊108。 機(jī)電傳感器114可以是在這里所述的能夠在處于測(cè)試的結(jié)構(gòu)或物體中傳輸應(yīng)力波的扁平的陶瓷壓電超聲傳感器片、感應(yīng)裝置或類(lèi)似裝置。正如這里所用的，傳感器也可以是指用來(lái)執(zhí)行這里所述各種功能的感應(yīng)裝置或任何其他裝置。機(jī)電傳感器片114可以具有大約IO密耳或更小的厚度。機(jī)電傳感器114可以是10密耳的鉛、鋯酸鹽、鈦酸鹽壓電陶瓷
材料，具有附著或接合于壓電片的每側(cè)的導(dǎo)電的、仍然是分開(kāi)隔離的板，該壓電陶瓷材料例如是來(lái)自APC International, Ltd.的壓電材料。 機(jī)電傳感器114可以包括與不導(dǎo)電層112相對(duì)的信號(hào)傳輸面124。當(dāng)信號(hào)傳輸表面124接合于物體時(shí)，壓電材料能夠被激勵(lì)，發(fā)送應(yīng)力波到物體和/或能夠接收從物體返回的應(yīng)力波，用于監(jiān)控物體的結(jié)構(gòu)健康，或檢測(cè)物體中的任何異?，F(xiàn)象。正如在這里參考圖3更加詳細(xì)地描述的，應(yīng)力波可以是檢測(cè)任何異?，F(xiàn)象、缺陷或損壞的超聲蘭姆波或類(lèi)似的波。 不導(dǎo)電材料的第二層112可以是粘結(jié)劑或介電材料和具有孔的粘結(jié)劑的組合，并且延伸通過(guò)在第二層112中的孔117的導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜連接片116適于幫助將機(jī)電傳感器114附著或保持于第一介電材料層102或聚酰亞胺薄膜。機(jī)電傳感器114的附著使得信號(hào)傳輸面124形成具有不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層112的基本扁平或平面的表面，以防止當(dāng)傳感器組件100附著于物體用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控或檢測(cè)任何異?，F(xiàn)象時(shí)的任何空隙(void)或大的臺(tái)階。圖3示出類(lèi)似于傳感器組件100的傳感器組件304，其附著于被監(jiān)控的物體302，在傳感器304和物體302之間沒(méi)有任何空隙或大的臺(tái)階。不導(dǎo)電的層320 (在圖1A中的112)與如圖3所示的機(jī)電傳感器332(圖1A中的114)形成為扁平的。這種扁平性提供圍繞傳感器322的邊緣的緊密密封，如圖3所示。 傳感器組件100可以附著于物體用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控而沒(méi)有任何附加的結(jié)構(gòu)層或厚部件。僅僅如圖3所示的導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄層326用于接合傳感器組件322 (如圖3所示)，其可以與圖1中的傳感器組件100是相同的。這個(gè)描述的機(jī)電傳感器組件100的接合方法提供了，當(dāng)附著于物體302時(shí)，基本上扁平的、低外形(low profile)結(jié)構(gòu)，基本上防止了可以對(duì)傳感器組件導(dǎo)致可能的損壞的對(duì)傳感器組件的任何意外的碰撞。此外，簡(jiǎn)單的最小的層結(jié)構(gòu)使機(jī)械阻抗的不匹配最小化，并且在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控期間增加了信噪比?；颈馄降牡妆砻嫣峁┮粋€(gè)表面，該表面有助于傳感器組件到該傳感器用于其上的物體或結(jié)構(gòu)的均勻的接合。 如上所述，正如參考圖2所詳細(xì)描述的，示于圖1A的本發(fā)明實(shí)施例的傳感器組件或感應(yīng)裝置100的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)能夠廉價(jià)高效地制造。低制造成本可以允許在飛行器上的所選位置，或作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控方案的一部分的任何結(jié)構(gòu)上大量采用這種傳感器組件或感應(yīng)裝置組件。 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成傳感器組件202的接合結(jié)構(gòu)200的示例說(shuō)明圖。傳感器組件202可以與圖1A的傳感器組件100相同。未固化的傳感器組件202可以設(shè)置在熱壓工具204上或內(nèi)。第一耐熱的非粘性材料的分離片206和釋放材料的外層或?qū)?08可以放置或設(shè)置在傳感器組件202和熱壓工具204之間。第一耐熱的非粘性材料的分離片206可以是氟化乙丙稀(FEP)或類(lèi)似的耐熱的非粘性材料的固體片。釋放材料層208可以是任何類(lèi)型的外層材料等。第一分離片206和釋放材料層208或外層使傳感器組件
6202在固化之后能夠容易從熱壓工具204上移除。 耐溫膠帶210可以相對(duì)于熱壓工具204而放置在未固化的傳感器組件202的相對(duì)側(cè)上。耐溫膠帶210可以是任何類(lèi)型的粘結(jié)劑材料，以在未固化狀態(tài)下時(shí)保持未固化的傳感器組件202的不同疊層相對(duì)于彼此的相對(duì)定位。第二分離片212可以放置在耐溫膠帶210上。第二分離片212可以是允許對(duì)傳感器組件202施加全真空并且允許在固化之后移除傳感器組件202的穿孔的FEP分離件或類(lèi)似材料層。 泄放器(bleeder)片214可以放置在第二分離片212上。泄放器片214可以是120#玻璃纖維泄放器或允許對(duì)傳感器組件202施加全真空的類(lèi)似機(jī)構(gòu)。第三分離片216可以放置在泄放器片214上。第三分離片216可以是固體FEP分離層。透氣織物通風(fēng)器218可以放置在第三分離片216上。再一次，透氣織物通風(fēng)器218和穿孔的分離片216允許對(duì)傳感器組件202施加真空并且穿孔的分離器216便于傳感器組件201在固化之后移除。
分層的結(jié)構(gòu)220可以放置在真空室或真空袋222中并且密封。真空袋222可以用膠帶224密封，例如膠粘的膠帶或類(lèi)似的粘結(jié)劑或其他適合的方式。全真空可以通過(guò)真空端口 226施加于結(jié)構(gòu)220。 未固化的傳感器組件202可以用預(yù)定的固化工藝固化，使固化的傳感器組件202基本上沒(méi)有任何氣泡和富樹(shù)脂區(qū)。例如，固化期間全真空可以施加于傳感器組件202。固化溫度可以施加于傳感器組件202，并且可以以每分鐘大約華氏(F)20度從環(huán)境溫度上升到大約300° F。固化溫度可以保持在大約300。 F大約30分鐘。大約30分鐘之后，固化溫度可以以每分鐘大約20華氏(F)度下降到環(huán)境溫度。 由于高溫和壓力固化的結(jié)果，得到許多好處，包括由扁平界面的表面，均勻的以及表面粗糙(rugged)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的傳感器組件，均勻的以及表面粗糙(rugged)的結(jié)構(gòu)基本上防止由于對(duì)傳感器組件202導(dǎo)致可能損壞的意外的碰撞引起的損壞。通過(guò)使傳輸給壓電片的和從壓電片傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)力傳輸最大化，因此有效地傳輸蘭姆波到處于測(cè)試或監(jiān)控物體中(例如在圖3中的物體302)，這種設(shè)計(jì)和固化工藝的其他好處可以包括具有高信號(hào)強(qiáng)度的良好的信號(hào)性能。壓電片332和粘結(jié)劑320之間的扁平表面在圖3中可看。傳感器的緊湊和有效設(shè)計(jì)有助于使機(jī)械阻抗不匹配最小化和噪聲最小化，以有助于在傳感器使用期間提供高信噪比。當(dāng)接合于諸如圖3的物體302的物體時(shí)，壓電片或感應(yīng)裝置和電路的完全密封(由粘結(jié)劑320圍繞)對(duì)諸如水氣、冰凍/融化循環(huán)以及化學(xué)品的溢出的惡劣環(huán)境條件提供額外的保護(hù)。比壓電片大的扁平的、并且均勻的傳感器接合表面有助于接合過(guò)程，以確保當(dāng)傳感器接合于結(jié)構(gòu)時(shí)均勻的無(wú)空隙接合，并且有助于使應(yīng)力集中最小化，免于結(jié)構(gòu)靜止和疲勞失效、聲學(xué)振動(dòng)失效，以及機(jī)電干擾(EMI)暴露(e鄧osure)，以及由于傳感器的碰撞引起的偶然損壞。圖1A中的不導(dǎo)電片112確保導(dǎo)體(信號(hào))和地之間的隔離以避免短路。導(dǎo)電片疊層或連接片116確保電通路和壓電傳感器片114之間的可靠的電連接。示作100、202和304的傳感器組件在傳感器304和接合的粘結(jié)劑326之間可以具有附加的材料層(未示出)。這個(gè)材料層將有助于傳感器304與結(jié)構(gòu)302的電絕緣。傳感器接合的粘結(jié)劑326可以是不導(dǎo)電的或?qū)щ姷恼辰Y(jié)劑；因此有助于提供接地的，或與結(jié)構(gòu)302隔離的傳感器304。如圖3所示，導(dǎo)電的或不導(dǎo)電地粘結(jié)劑326固化之后將在傳感器片304和該傳感器接合其上的任何物體或結(jié)構(gòu)302之間提供電絕緣或?qū)щ娦?。?duì)于電絕緣的情況，傳感器304和結(jié)構(gòu)302之間的電絕緣是由于基本上扁平的底部設(shè)計(jì)界面延伸過(guò)材料320和傳感器組件304的疊層322，允許在傳感器片322和任何被監(jiān)控的物體或結(jié)構(gòu)302之間的一致的、均勻的接合線(xiàn)這以事實(shí)所致。 如果希望傳感器組件304和結(jié)構(gòu)302之間完全電絕緣，那么選擇的、薄的(大約4密耳或更小)不導(dǎo)電的絕緣層330可以添加在傳感器組件的底部，如圖3所示。不導(dǎo)電的絕緣層可以是不導(dǎo)電的樹(shù)脂，并且該樹(shù)脂可以用例如不導(dǎo)電的纖維絲制成的不導(dǎo)電的薄織物加固。所用的不導(dǎo)電的加固纖維可以是玻璃纖維或其他的不導(dǎo)電的纖維。在本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例中不導(dǎo)電層330也可以具有添加于不導(dǎo)電的樹(shù)脂(層30)的微小的不導(dǎo)電珠(bead)或其他不導(dǎo)電的厚度控制或間隔材料，以有助于確保層330的均勻的厚度和電絕緣。 圖3是沿著3-3線(xiàn)截取的圖IB的傳感器組件IOO(圖3的304)的剖視圖，包括在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于諸如運(yùn)輸工具等的物體302的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的示例性系統(tǒng)300中。物體302可以是航空航天飛行器、地面運(yùn)輸工具、水上飛行器、諸如橋梁、甲板或鐵路的民用結(jié)構(gòu)，或其他類(lèi)型的交通工具或結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)300可以包括設(shè)置在物體302上的預(yù)定位置的多個(gè)傳感器組件或感應(yīng)裝置組件304。單個(gè)傳感器組件304的剖視圖示于圖3，用于解釋本發(fā)明。傳感器組件304可以類(lèi)似于圖1A和1B的傳感器組件100，或者與其相同。因此，傳感器組件304可以包括聚酰亞胺薄膜306。 一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)308可以接合于聚酰亞胺薄膜306。每個(gè)導(dǎo)電引線(xiàn)308可以類(lèi)似于圖1A的導(dǎo)電引線(xiàn)104。因此，每個(gè)導(dǎo)電引線(xiàn)308可以包括第一接觸墊310和第二接觸墊312。聚酰亞胺薄膜可以具有類(lèi)似于圖1A的通孔110的一對(duì)形成在其上的通孔或開(kāi)口，以露出每個(gè)第一接觸墊310，從而連接于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元314。每個(gè)第一接觸墊310可以用合適的連接裝置316連接于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元314，例如用低溫焊接電接合于每個(gè)第一接觸墊310的連接器電線(xiàn)，用導(dǎo)電的粘結(jié)劑電接合或附著于每個(gè)接觸墊310的電線(xiàn)，或適合于具體用于該傳感器組件304和被監(jiān)控的物體302的其他裝置。電絕緣和密封封裝化合物318或其他合適的材料可以設(shè)置在每個(gè)第一接觸墊310上并與其連接，以從環(huán)境條件密封傳感器組件304。 不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層或疊層320可以用密封在不導(dǎo)電的層320和聚酰亞胺薄膜306之間的導(dǎo)電的引線(xiàn)308附著于聚酰亞胺薄膜306。類(lèi)似于前面所述，不導(dǎo)電的層320可以適于將扁平的機(jī)電傳感器322或壓電傳感器、感應(yīng)裝置或片附著于聚酰亞胺薄膜306，使得壓電片或傳感器322的信號(hào)傳輸面324a形成具有不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層320的基本扁平或平面的表面，以防止當(dāng)傳感器組件304附著于物體302時(shí)的任何空隙或躍變。這在傳感器322和物體302之間提供用于聲音或應(yīng)力波的良好的機(jī)械連接或聲學(xué)耦合。如果存在選擇的絕緣層330，那么傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的界面表面是324b。 傳感器組件304還可以包括一對(duì)導(dǎo)電的薄膜或連接片328，以通過(guò)不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層320將每個(gè)第二接觸墊312連接于致動(dòng)器(actuator)或感應(yīng)裝置片322。該導(dǎo)電的薄膜或連接片328可以類(lèi)似于圖1A的導(dǎo)電的薄膜或連接片116，或與其相同。
傳感器組件安裝粘結(jié)劑326可以用于將每個(gè)傳感器組件304附著于物體302。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，傳感器組件302附著于物體302，而沒(méi)有任何附加的層或部件，當(dāng)附著于物體302用于健康監(jiān)控時(shí)，以提供基本扁平的匹配表面324a(或當(dāng)選擇的絕緣層330存在時(shí)是324b)、低外形結(jié)構(gòu)，以大大減小對(duì)傳感器組件304可能導(dǎo)致可能損壞的任何意外的碰撞，有助于確保與結(jié)構(gòu)302的電絕緣，并通過(guò)確保均勻的接合減少傳感器中的應(yīng)力集中，
8并有助于確保一致的接合而沒(méi)有空隙。緊湊的最小層或疊層設(shè)計(jì)也整體上減小機(jī)械阻抗的不匹配，用于更好實(shí)現(xiàn)減少電噪聲敏感性，并且在用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控或數(shù)據(jù)收集的傳感器304的致動(dòng)和感測(cè)期間增加信噪比。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元314可以是用于傳輸、接收并分析傳輸給物體302、或從物體302接收的應(yīng)力波、蘭姆波、超聲信號(hào)或其他非破壞性評(píng)估(NDE)類(lèi)型信號(hào)或波的超聲收發(fā)器、數(shù)據(jù)獲取單元或類(lèi)似的裝置，以檢測(cè)任何異?，F(xiàn)象、缺陷或損壞并確定其位置。因此，系統(tǒng)300起通過(guò)諸如物體302的結(jié)構(gòu)有效地傳輸和接收超聲信號(hào)的裝置的作用。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元314或數(shù)據(jù)獲取單元可以以改變電壓的形式使具有特定頻率含量的信號(hào)串產(chǎn)生脈沖。該電壓可以通過(guò)包括導(dǎo)電引線(xiàn)308的電線(xiàn)連接傳送給傳感器322或感應(yīng)裝置。該電壓使壓縮模式的傳感器322的壓電部件發(fā)生應(yīng)變。該機(jī)械應(yīng)變通過(guò)應(yīng)力波查詢(xún)物體302，該應(yīng)力波是局部地傳播通過(guò)物體302的全方向模式。類(lèi)似傳感器304的相鄰的或鄰近的傳感器接收機(jī)械應(yīng)力波，并通過(guò)相反的壓電效應(yīng)，通過(guò)傳感器組件304產(chǎn)生并監(jiān)控電壓。
總而言之，本發(fā)明提供一種低成本、容易制造的傳感器組件，用于監(jiān)控諸如飛行器或其他結(jié)構(gòu)的物體的結(jié)構(gòu)健康。低成本允許這種傳感器組件大量設(shè)置在用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的飛行器上的關(guān)鍵位置。正如上面所述，該傳感器很小，不明顯增加重量，并且能夠容易安裝，以及快速簡(jiǎn)單移除或更換。這里描述的該傳感器組件對(duì)于諸如溫度、水氣、碰撞損壞、化學(xué)品等環(huán)境條件具有高度的抵抗力。該傳感器裝置可以與被監(jiān)控的結(jié)構(gòu)電隔離，盡管不隔離的實(shí)施例也是可能的。 這里所用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述具體的實(shí)施例，并不是想要限制本發(fā)明。正如在這里所用的，單數(shù)形式的"一"、"一個(gè)"和"該"旨在同樣包括多數(shù)形式，除非上下文中另外清楚地指出。還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，當(dāng)用在該說(shuō)明書(shū)中時(shí)，術(shù)語(yǔ)"包含"和/或"包括"規(guī)定所述特征、整體(integers)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、元件、部件和/或其組合的存在或添加。 雖然已經(jīng)示出并描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)于的普通技術(shù)人員能夠理解，適合于實(shí)現(xiàn)相同的目的的任何其他設(shè)置可以替代所示的具體實(shí)施例，并且本發(fā)明在其他環(huán)境下具有其他用途。這種用途旨在覆蓋本發(fā)明的任何修改和變化。下面的權(quán)利要求決不是想要限制由這里所描述的具體實(shí)施例所公開(kāi)的本發(fā)明的范圍。
9
權(quán)利要求
一種傳感器組件(100、202、304)，其包括第一介電材料層(102)；鄰近所述第一介電層(102)的一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)(104)，其中每個(gè)所述導(dǎo)電引線(xiàn)(104)包括第一接觸墊(106、310)和第二接觸墊(108、312)，并且其中所述第一介電材料層(102)包括一對(duì)形成在其中的通孔(110)，以露出每個(gè)所述第一接觸墊(106、310)；第二介電材料層(112)，其通過(guò)設(shè)置在所述第一和第二介電材料層(102和112)之間的所述一對(duì)導(dǎo)電引線(xiàn)(104)附著于所述第一介電材料層(102)；以及附著于所述第二介電材料層(112)的傳感器(114、332)，其中每個(gè)第二接觸墊(108、312)電連接于所述傳感器(114、332)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器組件(100、202、304)，還包括另一個(gè)不導(dǎo)電材料層(330)，其附著于與所述第二介電材料層(112)相對(duì)的所述傳感器(114、332)的表面，以將被監(jiān)控的結(jié)構(gòu)(202)與所述傳感器(114、322)隔離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述另一個(gè)不導(dǎo)電材料層(330)包括纖維加強(qiáng)的樹(shù)脂，該纖維加強(qiáng)的樹(shù)脂具有約4密耳或更小的厚度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述第一介電材料層(102)包括聚酰亞胺薄膜，其具有約7. 5密耳或更小的厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述第二介電材料層(112)包括不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層，以封裝所述導(dǎo)電的引線(xiàn)(104)并將所述傳感器(114、332)附著于所述第一介電材料層(102)，并且其中每個(gè)第二接觸墊(108、312)通過(guò)所述不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層，用導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜(116)電連接于所述傳感器(114、322)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述傳感器(114、322)包括信號(hào)傳輸面(324)，并且其中所述不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層適于將所述傳感器(114、322)附著于所述第一介電材料層(102)，使得所述傳感器(114、322)的信號(hào)傳輸而(324)形成具有所述不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層(320)的基本上扁平的表面，以防止任何空隙，并且當(dāng)所述傳感器(114、322)附著于物體(302)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控時(shí)形成均勻的接合線(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述第一介電材料層(102)、所述一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)(104)、所述不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層(330)、所述導(dǎo)電的粘結(jié)劑薄膜(116)以及所述傳感器(114、322)相對(duì)于彼此設(shè)置，并且以預(yù)定的溫度和預(yù)定的真空壓力或者預(yù)定的真空壓力和預(yù)定的熱壓壓力之一固化，以形成基本上沒(méi)有任何氣泡和富樹(shù)脂區(qū)的最終的傳感器組件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述不導(dǎo)電的粘結(jié)劑層(320)具有約4密耳或更小的厚度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述傳感器(114、322)包括扁平的機(jī)電傳感器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器組件(100、202、304)，其中所述傳感器(114、322)包括陶瓷壓電超聲傳感器片，其具有大約10密耳或更小的厚度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器組件(100、202、304)，其中通過(guò)安裝粘結(jié)劑，所述傳感器組件(100、202、304)可附著到物體(202)用于所述物體的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，且所述導(dǎo)電引線(xiàn)(104)的所述第一接觸墊(106、310)可連接到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控單元(314)，而無(wú)需所述傳感器組件(100、202、304)包括任何附加的材料層，且在所述傳感器組件(100、202、304)和所述物體(202)之間基本上沒(méi)有任何空隙。
12.
13. —種用于形成傳感器組件(100、202、304)的方法，包括提供第一介電材料層(102);鄰近所述第一介電層(102)設(shè)置一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)(104)，其中每個(gè)所述導(dǎo)電的引線(xiàn)(104)包括第一接觸墊(106、310)和第二接觸墊(108、312);在所述第一介電材料層(102)中形成一對(duì)通孔(IIO)，以露出每個(gè)第一接觸墊(106、310);通過(guò)設(shè)置在所述第一和第二介電材料層(102和112)之間的所述一對(duì)導(dǎo)電引線(xiàn)(104)將所述第二介電材料層(112)附著于所述第一介電材料層(102);將傳感器(114、322)附著于所述第二介電材料層(112)，其中每個(gè)第二接觸墊(108、312)電連接于所述傳感器(114、322)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括用預(yù)定的固化工藝固化所述傳感器組件(100、202、304)，以使被固化的傳感器組件(100、202、304)基本上沒(méi)有任何氣泡和富樹(shù)脂區(qū)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中固化所述傳感器組件(100、202、304)包括將未固化的傳感器組件(100、202、304)放置在熱壓工具(204)上，所述未固化的傳感器組件(100、202、304)通過(guò)至少一個(gè)耐熱非粘性的或釋放材料層(208)而與該熱壓工具(204)相分離;相對(duì)于所述熱壓工具(204)將耐溫膠帶(210)放置在所述未固化的傳感器組件(100、202、304)的相對(duì)側(cè)上;將耐熱非粘性的或釋放材料的第一分離片(206)放置在所述耐溫膠帶(210)上；將泄放器(214)放置在所述第一分離片(206)上，以允許對(duì)所述傳感器組件(100、202、304)施加全真空；將耐熱非粘性的或釋放材料的第二分離片(212)放置在所述泄放器(214)上；將透氣的通風(fēng)器放置在所述第二分離片(212)上；以及附著真空袋(222)以對(duì)所述傳感器組件(100、202、304)施加全真空。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括對(duì)未固化的傳感器組件(100、202、304)施加全真空；以每分鐘大約20華氏度的速度將施加于所述未固化的傳感器組件(100、202、304)的固化溫度從環(huán)境溫度升高到大約300華氏度；保持大約300華氏度的固化溫度約30分鐘；以及以每分鐘大約20華氏度的速度將所述固化溫度降低到大約環(huán)境溫度。
全文摘要
一種傳感器組件(100)可以包括第一介電材料層(102)和鄰近該第一介電層的一對(duì)導(dǎo)電的引線(xiàn)(104a、104b)。每個(gè)導(dǎo)電的引線(xiàn)可以包括第一接觸墊(106a)和第二接觸墊(106b)。該第一介電材料層可以包括一對(duì)形成在其中的通孔或開(kāi)口(110)，以露出每個(gè)第一接觸墊。第二介電材料層(112)用設(shè)置在第一和第二介電材料層之間的所述一對(duì)導(dǎo)電引線(xiàn)附著于第一介電材料層。傳感器(114)可以附著于第二介電材料層并且每個(gè)第二接觸墊電連接于傳感器。
文檔編號(hào)G01N29/14GK101785124SQ200880015755
公開(kāi)日2010年7月21日 申請(qǐng)日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者D·M·安德森, J·D·卡恩斯 申請(qǐng)人:波音公司